半導体チップの実装構造
【課題】半導体チップを回路基板にはんだバンプを用いてフリップチップ接続する実装構造において、接続バンプの耐TC寿命を向上させること。
【解決手段】半導体チップ16を回路基板12に接続バンプ14でフリップチップ接続した実装構造において、補強材18を半導体チップ16の周りの回路基板12に固着し、補強材18と半導体チップ16の側面を樹脂接着剤20で接合する。補強材18は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。樹脂接着剤20は、室温で5GPa以上のヤング率をもつ。さらに、樹脂接着剤20で接合された補強材18と半導体チップ16の側面の間隔は、50μm以下とする。
【解決手段】半導体チップ16を回路基板12に接続バンプ14でフリップチップ接続した実装構造において、補強材18を半導体チップ16の周りの回路基板12に固着し、補強材18と半導体チップ16の側面を樹脂接着剤20で接合する。補強材18は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。樹脂接着剤20は、室温で5GPa以上のヤング率をもつ。さらに、樹脂接着剤20で接合された補強材18と半導体チップ16の側面の間隔は、50μm以下とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップの実装構造に関し、特に半導体チップを回路基板にはんだバンプを用いてフリップチップ接続する場合の実装構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩなどの半導体デバイスにおいては高集積化・高機能化が求められており、これに伴って半導体デバイスの接続パッド数が増加してしている。すなわち、半導体デバイスの多ピン化が進行している。また、携帯電話機に代表されるように電子機器の小型化・薄型化が進められている。このような時代趨勢に伴って、半導体チップの実装形態として、半導体チップの配線面にエリア状に接続パッドを設けることができ、小型化・薄型化実装に有利なフリップチップ接続が多用されるようになってきている。図２０は、フリップチップ接続された半導体チップの従来の実装構造を示す断面図である。半導体チップ16は、回路基板12の接続パッド（図示なし）上にはんだボールなどの接続バンプ14を用いてフリップチップ接続されている。この実装構造に、低温度（例えば-20℃）状態と高温度（例えば125℃）状態の温度サイクル（temperature cycle）を負荷すると、ある温度サイクルで半導体チップ16と回路基板12を接続するバンプ14が破壊されて、電気的な接続不良が発生する。この温度サイクルのサイクル数は耐TC寿命と呼ばれる。
【０００３】
この接続不良の発生を抑制するために、半導体チップと回路基板の間に、アンダーフィル樹脂と呼ばれる熱硬化性樹脂材料を充填する方法が広く用いられている（第1従来技術；例えば、特許文献１参照）。
また、半導体チップの側面と回路基板の実装面とで構成される角部のみに接着剤を充填して補強部を形成する方法が提案されている（第2従来技術；例えば、特許文献２参照）。
さらに、半導体チップと回路基板との間にアンダーフィル樹脂を充填すると共に、半導体チップを囲む枠状の補強材を回路基板に接着し、半導体チップと補強材上に蓋体を接着し、半導体チップと補強材と蓋体との隙間に樹脂接着剤を充填する方法も提案されている（第３従来技術；例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特公平6-71030号公報
【特許文献２】特開2000-286303号公報
【特許文献３】特開2004-260138号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
温度サイクル試験によって、フリップチップ接続バンプ14に接続不良が発生するメカニズムを図２０、図２１を参照しながら説明する。
一般に、半導体チップ16と回路基板12の間には線膨張係数差が存在する。例えば、半導体チップ16がシリコン製の場合、線膨張係数は3ppm/℃であり、回路基板12がエポキシ樹脂などの有機材料を絶縁層とするビルドアップ基板の場合、線膨張係数は10〜30ppm/℃程度である。接続バンプ14が鉛錫共晶はんだや、鉛フリーはんだの場合、線膨張係数は、20〜30ppm/℃である。
これらのはんだバンプを使って、フリップチップ接続を行なう場合、はんだボールのついた半導体チップ16と回路基板12を接触させた状態で、はんだの融点（180℃〜300℃）まで全体を加熱し、半導体チップ16と回路基板12の接合を完了させた後冷却する。
このとき、半導体チップ16と回路基板12の線膨張係数差によって、冷却時の収縮率が異なるために、接続バンプ14が図２１のように水平方向に変形する。温度サイクル試験によって、この水平方向の変形が繰り返し生じるために、バンプの接続不良が発生する。
【０００５】
第1従来技術（アンダーフィル樹脂充填法）では、バンプの水平方向の変形を抑制できるが、アンダーフィル樹脂封止後、半導体チップ16を回路基板12から取り外すことが困難となる。この困難を取り除くため、近年、採用が増加しているリペアラブルアンダーフィル樹脂材料は、高温（100℃以上）でヤング率が急激に低下する。従って、リペアラブルアンダーフィル材で樹脂封止した場合は、バンプの水平方向の変形を抑制する効果が十分に得られない。すなわち、耐TC寿命の向上とリペアラブル性を両立させることは困難である。
また、第1従来技術（アンダーフィル樹脂充填法）では、バンプ間に隙間なくアンダーフィル樹脂が流れ込むことや、アンダーフィル樹脂内に気泡を生じないことが要求されるが、実装配線密度の増加によってフリップチップ接続バンプの狭ピッチ化が進むと、これらの要求を満たすことが困難になるという問題がある。
さらに、第1従来技術では、半導体チップが高周波デバイスの場合、デバイスの電気特性がアンダーフィル樹脂材によって大幅に変化してしまうという問題がある。
【０００６】
第2従来技術では、補強部にエポキシ系樹脂接着剤を使うことを想定しており、補強材の硬さの重要性が考慮されていない。現在のところ、樹脂接着剤のヤング率が最大でも10GPa程度であるため、角部のみに樹脂接着剤を充填する方法では、バンプの水平方向の変形を抑える効果が十分に得られないという問題がある。
第3従来技術では、アンダーフィル樹脂で充填すると共に、回路基板の外周に補強材を設置し、半導体チップ及び補強材上に蓋体を接着し、それらによる隙間に樹脂接着剤を充填しているので、単にアンダーフィル樹脂のみによる対策の場合よりも接続不良を低減させることはできるが、上述したアンダーフィル樹脂を用いたことによる不都合は解消されておらず、加えてリペアラブル性は一層悪化している。
本発明は、このような問題点を解決するべくなされたものであって、その目的は、半導体チップを回路基板にはんだバンプを用いてフリップチップ接続する実装構造において、リペアラブル性を低下させることなく接続バンプの耐TC寿命を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明によれば、半導体チップを回路基板に接続バンプでフリップチップ接続した半導体チップの実装構造において、補強材を前記半導体チップ周辺において回路基板に固着し、前記補強材と前記半導体チップ側面を固着したことを特徴とする半導体チップの実装構造、が提供される。
このとき、半導体チップと補強材の間隔を50μm以下とし、半導体チップと補強材の隙間を埋める樹脂接着剤のヤング率を室温で5GPa以上とするとともに、補強材のヤング率を室温で50GPa以上とし、補強材の線膨張係数を接続バンプと同等か、もしくは、それより小さくする。
【０００８】
[作用]
回路基板に固着された補強材は、回路基板が熱収縮するのに伴って半導体チップ側に移動するが、回路基板より熱収縮量の小さい半導体チップ側面が補強材の移動を妨害する。それによって、回路基板の収縮量が低減し、接続バンプの水平方向の変形が抑制されて、バンプ耐TC寿命が向上する。
[最適条件]
この作用を最大限に得るためには、補強材と半導体チップの間隔や、補強材と樹脂接着剤の物性値を最適化する必要があり、具体的には、以下の５つの条件が必要である。
第1の条件は、半導体チップ側面と補強材の間隔が出来るだけ0に近いことである。半導体チップと補強材の寸法精度や配置精度の問題で、半導体チップと補強材を完全に接触させることは困難である。樹脂接着剤は、補強材と半導体チップ側面の間の隙間を埋める役割を持つが、樹脂接着剤のヤング率が最大でも10GPa程度であるため、半導体チップ側面が補強材の移動を妨害する効果を十分もつためには、補強材と半導体チップ側面の間隔は最大でも50μm程度にすることが必要である。
第2の条件は、補強材が十分硬いことである。半導体チップがシリコンチップの場合、シリコンのヤング率が100GPa以上あるため、補強材のヤング率が1桁小さい10GPa程度だと、補強材がシリコンチップに接触するとき、補強材が潰れてしまって、接続バンプの水平方向の変形を抑制する効果が現われなくなってしまう。シリコンチップは、半導体チップの中でも最大のヤング率をもつ材料なので、補強材の室温でのヤング率が50GPa以上あれば、接続バンプの水平方向の変形を抑制する効果をもつ。
第3の条件は、補強材の線膨張係数が接続バンプと同等か、もしくは、それより小さいことである。図２２に示すように、補強材の線膨張係数が接続バンプの線膨張係数より大きいと、接続バンプの垂直方向の変形が促進されて、バンプ耐TC寿命が低下してしまう。従って、補強材の線膨張係数が接続バンプのそれと同等か、もしくは、それより小さければ、接続バンプの垂直方向の変形が促進されるのを防止する効果をもつ。
【０００９】
第4の条件は、半導体チップ側面と補強材の間の樹脂接着剤が十分硬いことである。半導体チップと補強材の凹凸によって、補強材と半導体チップ側面の間に隙間が生じるのは避けがたい。半導体チップと補強材が一部だけで接触することによって、半導体チップと補強材の一部に応力が集中するのを防ぐため、樹脂接着剤は、補強材と半導体チップの間の緩衝材の役割を持つ。しかしながら、半導体チップ側面が補強材の移動を妨害する効果を十分もつために、樹脂接着剤のヤング率は、室温で5GPa以上あることが必要である。
第５の条件は、補強材が回路基板に強固に固着されていることである。換言すれば、補強材の回路基板からの移動量が少ないことである。補強材が回路基板に植設される場合には、両者は一体化されるので第５の条件は満たされる。補強材を回路基板に樹脂接着剤を用いて固着する場合には、両者間の距離は50μｍ以下と狭くする必要があり、また、樹脂接着剤のヤング率は、室温で5GPa以上あることが必要である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は以上のように構成されているので、以下に掲げる効果を発揮する。
第1の効果は、半導体チップを回路基板に接続バンプでフリップチップ接続した実装構造において、補強材を半導体チップ側面と回路基板に固着することにより、接続バンプの水平方向の変形を抑制し、バンプ耐TC寿命を向上させることができる。
第2の効果は、本発明の実装構造ではアンダーフィル樹脂封止を行なう必要がないため、リペアラブル性を向上させることができると共に、バンプの狭ピッチ化に有利であり、さらに封止樹脂による半導体チップの電気特性劣化の抑制が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図1、図２は、本発明の第1の実施の形態の実装構造を示す縦断面図と上面図である。図１に示すように、半導体チップ16を回路基板12に接続バンプ14でフリップチップ接続した実装構造において、補強材18を半導体チップ16の周りの回路基板12に固着し、補強材18と半導体チップ16の側面を樹脂接着剤20で接着する。補強材18は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。樹脂接着剤20は、室温で5GPa以上のヤング率をもつ。さらに、樹脂接着剤20で接合された補強材18と半導体チップ16の側面の間隔は、50μm以下とする。補強材18の固着手段としては、溶接、ろう付け、はんだ付けなどが可能であるが、最も現実的な手法は樹脂接着剤による接着である。補強材18を回路基板12に樹脂接着剤を用いて接着するとき、補強材18−回路基板12の間隔は50μm以下とし、樹脂接着剤には、室温で5GPa以上のヤング率を持つものを用いる。
図２に示すように、本実施の形態においては、4枚の板状の補強材18が用いられており、それぞれ半導体チップ16の側面の各辺中央領域で回路基板12に固着されている。そして、補強材18は半導体チップ16の側面と樹脂接着剤20により接着されている。
【００１２】
［第２の実施の形態］
図3は、本発明の第2の実施の形態の実装構造を示す上面図である。同図に示すように、補強材18は板状でかつＬ字状であり、４個の補強材18が半導体チップ16の各コーナ付近で回路基板12に固着されている。そして、各補強材18と半導体チップ16の側面が樹脂接着剤20で接着されている。補強材18は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。樹脂接着剤20は、室温で5GPa以上のヤング率をもつ。さらに、樹脂接着剤20で接合された補強材18と半導体チップ16の側面の間隔は、50μm以下とする。補強材18が樹脂接着剤で回路基板に固着されるとき、両者の距離は50μm以下とし、室温で5GPa以上のヤング率をもつ樹脂接着剤を用いる。
【００１３】
［第３の実施の形態］
図4は、本発明の第3の実施の形態の実装構造を示す上面図である。同図に示すように、補強材18は板状でかつ枠状であり、半導体チップ16を囲んで回路基板12に固着されている。そして、補強材18と半導体チップ16の側面と樹脂接着剤20で接着されている。補強材18は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。樹脂接着剤20は、室温で5GPa以上のヤング率をもつ。さらに、樹脂接着剤20で接合された補強材18と半導体チップ16の側面の間隔は、50μm以下とする。
【００１４】
［第４の実施の形態］
図５は、本発明の第４の実施の形態の実装構造を示す上面図である。同図に示すように、補強材18は板状でかつコ字状であり、２つの補強材18が半導体チップ16を囲むようにして回路基板12に固着されている。そして、補強材18と半導体チップ16の側面と樹脂接着剤20で接着されている。補強材18は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。樹脂接着剤20は、室温で5GPa以上のヤング率をもつ。さらに、樹脂接着剤20で接合された補強材18と半導体チップ16の側面の間隔は、50μm以下とする。
【００１５】
［第５の実施の形態］
図６は、本発明の第５の実施の形態の実装構造を示す上面図である。同図に示すように、補強材18は板状でかつＬ字状であり、２個の補強材18が半導体チップ16の対角に位置する二つのコーナ付近で回路基板12に固着されている。そして、各補強材18と半導体チップ16の側面が樹脂接着剤20で接着されている。補強材18は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。樹脂接着剤20は、室温で5GPa以上のヤング率をもつ。さらに、樹脂接着剤20で接合された補強材18と半導体チップ16の側面の間隔は、50μm以下とする。
【００１６】
［第６の実施の形態］
図７、図８は、本発明の第６の実施の形態の実装構造を示す縦断面図と上面図である。図７、図８に示すように、半導体チップ16を回路基板12に接続バンプ14でフリップチップ接続した実装構造において、補強材18は横断面形状が円形の棒状であり、回路基板12の半導体チップ16の周辺に形成したスルーホールに差し込まれて回路基板12に固着されている。そして、棒状の補強材18と半導体チップ16の側面とは樹脂接着剤20で接着されている。補強材18は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。樹脂接着剤20は、室温で5GPa以上のヤング率をもつ。さらに、樹脂接着剤20で接合された補強材18と半導体チップ16の側面の間隔は、50μm以下とする。
図８に示す本実施の形態では、補強材18の数はチップの1辺あたり2本だが、チップの1辺あたりの補強材18の数をより多くすれば、接続バンプの水平方向の変形を抑制する効果が増大する。
【００１７】
［第７の実施の形態］
図９は、本発明の第７の実施の形態の実装構造を示す上面図である。本実施の形態の図７、図８に示す第６の実施の形態と相違する点は、本実施の形態においては、棒状の補強材18として横断面形状が正方形のものが用いられている点であって、それ以外は同様であるので、詳細な説明は省略する。
棒状の補強材18としては、横断面形状が円形、正方形のものに限られず、楕円形、長方形のものであってもよい。
【００１８】
［第８の実施の形態］
図１０、図１１は、本発明の第８の実施の形態の実装構造を示す上面図と縦断面図である。図１０、図１１に示すように、半導体チップ16を回路基板12に接続バンプ14でフリップチップ接続した実装構造において、板状でかつ枠状の第一の補強材18１を、半導体チップ16を囲むように回路基板12上に固着し、続いて第一の補強材18１と半導体チップ16の側面の隙間に、厚さが50μｍ以下の板状の第二の補強材18２を差し込めるだけ差し込む。そして、半導体チップ、第一の補強材および第二の補強材全体に室温で5GPa以上のヤング率をもつ樹脂接着剤20を塗布し、加熱して硬化させる。第一の補強材18１と第二の補強材18２は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。
【００１９】
本発明の第８の実施の形態は、次のような実装方法でも実現可能である。接続バンプ14を取り付けた半導体チップ16の周囲に、板状でかつ枠状の第一の補強材18１を置く。次に、第一の補強材18１と半導体チップ16の側面の隙間に、厚さが50μｍ以下の板状の第二の補強材18２を差し込めるだけ差し込む。そして、半導体チップ、第一の補強材１および第二の補強材全体に室温で5GPa以上のヤング率をもつ樹脂接着剤20を塗布し、加熱して硬化させる。この補強材が取り付けられた半導体チップ16を回路基板12に接続バンプ14でフリップチップ接続し、第一の補強材18１を回路基板12に固着する。
【００２０】
［第９の実施の形態］
図１２、図１３は、本発明の第９の実施の形態の実装構造を示す上面図と縦断面図である。本実施の形態の実装構造は次のようにして作製される。すなわち、接続バンプ14を取り付けた半導体チップ16の周囲に、板状でかつ枠状の第一の補強材18１を置く。次に、第一の補強材18１と半導体チップ16の側面の隙間に、直径が50μｍ以下の球状の第二の補強材18２を充填する。そして、半導体チップ、第一の補強材および第二の補強材全体に室温で5GPa以上のヤング率をもつ樹脂接着剤20を塗布し、加熱して硬化させる。この補強材が取り付けられた半導体チップ16を回路基板12に接続バンプ14でフリップチップ接続し、同時に第一の補強材18１を回路基板12に固着する。
上記の実装方法に代えて、半導体チップ16がフリップチップ接続された回路基板12に第一の補強材18１を固着し、その後に球状の第二の補強材18２の充填と樹脂接着剤の塗布を行うようにしてもよい。
【００２１】
［第１０の実施の形態］
図１４、図１５は、本発明の第１０の実施の形態の実装構造を示す上面図と縦断面図である。本実施の形態の実装構造は次のようにして作製される。すなわち、バンプ14を取り付けた半導体チップ16を囲むように、板状でかつ枠状の第一の補強材18１を置く。次に、第一の補強材18１と半導体チップ16の側面の隙間に、直径が50μｍ以下の棒状の第二の補強材18２を挿入・充填する。そして、半導体チップ、第一の補強材および第二の補強材全体に室温で5GPa以上のヤング率をもつ樹脂接着剤20を塗布し、加熱して硬化させる。この補強材が取り付けられた半導体チップ16を回路基板12に接続バンプ14でフリップチップ接続し、同時に第一の補強材18１を回路基板12に固着する。
上記の実装方法に代えて、半導体チップ16がフリップチップ接続された回路基板12に第一の補強材18１を固着し、その後に棒状の第二の補強材18２の充填と樹脂接着剤の塗布を行うようにしてもよい。
【００２２】
［第１１の実施の形態］
図１６、図１７は、本発明の第１１の実施の形態の実装構造を示す上面図と縦断面図である。本実施の形態の実装構造は、次のようにして作製される。半導体チップ16を回路基板12に接続バンプ14でフリップチップ接続し、回路基板12の半導体チップ16の周囲に形成したスルーホールに、丸棒状の第一の補強材18１を差し込んで固着する。次に、丸棒状の第一の補強材18１と半導体チップ16の側面の隙間に、厚さが50μｍ以下の板状の第二の補強材18２を差し込めるだけ差し込む。そして、半導体チップ、第一の補強材および第二の補強材全体に室温で5GPa以上のヤング率をもつ樹脂接着剤20を塗布し、加熱して硬化させる。第一の補強材18１と第二の補強材18２は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。
図１６に示す本実施の形態では、棒状の第一の補強材18１の数はチップの1辺あたり2本だが、チップの1辺あたりの棒状の第一の補強材18１の数をより多くすれば、接続バンプの水平方向の変形を抑制する効果が増大する。
【００２３】
［第１２の実施の形態］
図１８は、本発明の第１２の実施の形態の実装構造を示す上面図である。本実施の形態の実装構造は、次のようにして作製される。半導体チップ16を回路基板12に接続バンプ14でフリップチップ接続し、回路基板12の半導体チップ16の周囲に形成したスルーホールに、丸棒状の第一の補強材18１を差し込んで固着する。次に、棒状の第一の補強材18１と半導体チップ16の側面の隙間に、厚さが50μｍ以下で、板状かつＬ字状の第二の補強材18２を差し込めるだけ差し込む。そして、半導体チップ、第一の補強材および第二の補強材全体に室温で5GPa以上のヤング率をもつ樹脂接着剤20を塗布し、加熱して硬化させる。第一の補強材18１と第二の補強材18２は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。
【００２４】
［第１３の実施の形態］
図１９は、本発明の第１３の実施の形態の実装構造を示す上面図である。本実施の形態の実装構造は、次のようにして作製される。半導体チップ16を回路基板12に接続バンプ14でフリップチップ接続し、回路基板12の半導体チップ16の周囲に形成したスルーホールに、角棒状の第一の補強材18１を差し込んで固着する。次に、角棒状の第一の補強材18１と半導体チップ16の側面の隙間に、厚さが50μｍ以下で、板状かつＬ字状の第二の補強材18２を差し込めるだけ差し込む。そして、半導体チップ、第一の補強材および第二の補強材全体に室温で5GPa以上のヤング率をもつ樹脂接着剤20を塗布し、加熱して硬化させる。第一の補強材18１と第二の補強材18２は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。
【００２５】
以上説明したように、本発明の第1〜第１３の実施の形態によれば、補強材と半導体チップの間隔や、補強材と樹脂接着剤の物性値を最適化することによって、フリップチップ接続のバンプの水平方向の変形を抑制することが可能となり、接続バンプの耐TC寿命を向上させることができる。
以上説明した第1〜第１３の実施の形態では、補強材18（第一の補強材18１）は、例えば図2に示されるように、同一形状のものを使用していたが、異なる形状の補強材18（第一の補強材18１）を組み合わせて使用するようにしてもよい。例えば、コ字状の補強材と直線状の補強材とを組み合わせたり、コ字状の補強材とＬ字状の補強材とを組み合わせて使用したりしてもよい。
以上説明したように、本発明においては、アンダーフィル樹脂を用いられない。樹脂接着剤20の塗布時あるいはその硬化時に樹脂が流出して半導体チップと回路基板の間に到達することも起こり得るが、その場合であっても、いずれの接続バンプにも樹脂接着剤が接触してはならない。
【００２６】
［実施例］
以下、具体的な実施例を用いて、本発明の実施の形態の実装構造を説明する。各実施例について、応力解析シミュレーションを行い、フリップチップ接続に用いられた接続バンプの耐TC寿命に対応する、バンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値を求めた。一般に、バンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値が増加すると、バンプの耐TC寿命が低下する。
比較のため、第1従来技術（アンダーフィル樹脂充填法）におけるバンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値を求めたところ、リペアラブル性のないアンダーフィル樹脂A（ガラス転移温度142℃、ガラス転移温度以下線膨張係数39ppm/℃、ガラス転移温度以上線膨張係数113ppm/℃、室温ヤング率7GPa ；組成：エポキシ樹脂50wt％、シリカフィラー50wt％）では0.149MJ/m３であり、リペアラブル性のあるアンダーフィル樹脂B（ガラス転移温度106℃、ガラス転移温度以下線膨張係数44ppm/℃、ガラス転移温度以上線膨張係数140ppm/℃、室温ヤング率9GPa ；組成：エポキシ樹脂51wt％、シリカフィラー45wt％、アクリル粒子4wt％）では0.236MJ/m３であった。
アンダーフィル樹脂Aによるアンダーフィル樹脂封止では、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たしたが、アンダーフィル樹脂Bによるアンダーフィル樹脂封止では、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たさなかった。ここで、バンプ耐TC寿命の必要基準に対応する、バンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値は、0.215MJ/m３である。
【実施例１】
【００２７】
実施例１は、図１、図２に示す第1の実施の形態を具体化したものである。厚さ0.35ｍｍ、6ｍｍ角のシリコンチップを厚さ1.5ｍｍのビルドアップ基板に100μm径のSn-3Ag-0.5Cu組成のはんだボール（線膨張係数22ppm/℃；千住金属工業社製M705）でフリップチップ接続した後、長辺5.8ｍｍ短辺0.4ｍｍ厚さ200μmのアルミニウム板（線膨張係数23ppm/℃、ヤング率70GPa ）の隣り合う2つの面（長辺5.8ｍｍ短辺0.4ｍｍの面と長辺5.8ｍｍ短辺200μmの面）に、アンダーフィル樹脂Bを塗布し、シリコンチップ側面とビルドアップ基板に接着した。
【００２８】
このとき、アルミニウム板とシリコンチップ側面の間隔やアルミニウム板とビルドアップ基板の間隔が出来るだけ狭くなるように、かつ、フリップ接続バンプを損傷しないように、アルミニウム板をシリコンチップ側面とビルドアップ基板に押し付けた。そして、全体を150℃に加熱して室温に冷却し、アンダーフィル樹脂Bを硬化させた。
アンダーフィル樹脂Bを硬化させた後、SEM(scanning electron microscope；走査型電子顕微鏡)で観察したところ、アルミニウム板とシリコンチップ側面の間隔は10μｍ、アルミニウム板とビルドアップ基板の間隔は20μｍであった。
このときのバンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値は0.210MJ/m３であり、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たした。
【実施例２】
【００２９】
実施例２は、図３に示す第２の実施の形態を具体化したものである。厚さ0.35ｍｍ、6ｍｍ角のシリコンチップを厚さ1.5ｍｍのビルドアップ基板に100μm径のSn-3Ag-0.5Cu組成のはんだボール（M705；線膨張係数22ppm/℃）でフリップチップ接続した後、長辺5.8ｍｍ短辺0.4ｍｍ厚さ200μmのアルミニウム板（線膨張係数23ppm/℃、ヤング率70GPa）を長辺中央で90°に折り曲げてL字状にし、実施例1と同様に、アンダーフィル樹脂Bを塗布し、シリコンチップ側面とビルドアップ基板に接着した。
このとき、アルミニウム板とシリコンチップ側面の間隔やアルミニウム板とビルドアップ基板の間隔が出来るだけ狭くなるように、かつ、フリップ接続バンプを損傷しないように、アルミニウム板をシリコンチップ側面とビルドアップ基板に押し付けた。そして、全体を150℃に加熱して室温に冷却し、アンダーフィル樹脂Bを硬化させた。
アンダーフィル樹脂Bを硬化させた後、SEMで観察したところ、アルミニウム板とシリコンチップ側面の間隔は10μｍ、アルミニウム板とビルドアップ基板の間隔は20μｍであった。
このときのバンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値は0.176MJ/m３であり、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たした。
【実施例３】
【００３０】
実施例３は、図４に示す第３の実施の形態を具体化したものである。厚さ0.35ｍｍ、6ｍｍ角のシリコンチップを厚さ1.5ｍｍのビルドアップ基板に100μm径のSn-3Ag-0.5Cu組成のはんだボール（Ｍ705；線膨張係数22ppm/℃）でフリップチップ接続した後、外側寸法6.4ｍｍ内側寸法6.0ｍｍ高さ0.4ｍｍの正方形アルミニウム枠（線膨張係数23ppm/℃、ヤング率70GPa）の内面と底面にアンダーフィル樹脂Bを塗布し、シリコンチップ側面とビルドアップ基板に接着した。
このとき、正方形アルミニウム枠とビルドアップ基板の間隔が出来るだけ狭くなるように、正方形アルミニウム枠をビルドアップ基板に押し付けた。そして、全体を150℃に加熱して室温に冷却し、アンダーフィル樹脂Bを硬化させた。
アンダーフィル樹脂Bを硬化させた後、SEMで観察したところ、正方形アルミニウム枠とシリコンチップ側面の間隔は10μｍ、正方形アルミニウム枠とビルドアップ基板の間隔は30μｍであった。
このときのバンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値は0.146MJ/m３であり、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たした。
【実施例４】
【００３１】
実施例４は、図７、図８に示す第６の実施の形態を具体化したものである。厚さ0.35ｍｍ、6ｍｍ角のシリコンチップを厚さ1.5ｍｍのビルドアップ基板に100μm径のSn-3Ag-0.5Cu組成のはんだボール（Ｍ705；線膨張係数22ppm/℃）でフリップチップ接続した後、ビルドアップ基板に形成した直径500μmのスルーホールに、長さ1.9ｍｍ直径480μmのアルミニウム円柱棒（線膨張係数23ppm/℃、ヤング率70GP）を、チップの1辺あたり6本差込み、アンダーフィル樹脂Bをアルミニウム円柱棒とスルーホールの隙間に充填した。また、アンダーフィル樹脂Bをアルミニウム円柱棒とシリコンチップ側面の隙間に充填した。そして、全体を150℃に加熱して室温に冷却し、アンダーフィル樹脂Bを硬化させた。
アンダーフィル樹脂Bを硬化させた後、SEMで観察したところ、アルミニウム円柱棒とシリコンチップ側面の間隔は10μｍであった。
このときのバンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値は0.214MJ/m３であり、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たした。
【実施例５】
【００３２】
実施例５は、図１０、図１１に示す第８の実施の形態を具体化したものである。厚さ0.35ｍｍ、6ｍｍ角のシリコンチップを厚さ1.5ｍｍのビルドアップ基板に100μm径のSn-3Ag-0.5Cu組成のはんだボール（Ｍ705；線膨張係数22ppm/℃）でフリップチップ接続した後、外側寸法6.6ｍｍ内側寸法6.2ｍｍ高さ0.4ｍｍの正方形アルミニウム枠（線膨張係数23ppm/℃、ヤング率70GPa）の底面にアンダーフィル樹脂Bを塗布し、シリコンチップ周りのビルドアップ基板に接着した。
このとき、正方形アルミニウム枠とビルドアップ基板の間隔が出来るだけ狭くなるように、正方形アルミニウム枠をビルドアップ基板に押し付けた。
次に、長辺6ｍｍ短辺0.4ｍｍ厚さ10μmのアルミニウム箔をシリコンチップ側面と正方形アルミニウム枠の隙間に差し込めるだけ差し込んだ。この状態で、アンダーフィル樹脂Ｂを正方形アルミニウム枠とシリコンチップ側面の隙間に充填した。そして、全体を150℃に加熱して室温に冷却し、アンダーフィル樹脂Bを硬化させた。
アンダーフィル樹脂Ｂを硬化させた後、SEMで観察したところ、正方形アルミニウム枠とビルドアップ基板の間隔は30μｍであった。
このときのバンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値は0.150MJ/m３であり、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たした。
【実施例６】
【００３３】
実施例６は、図１０、図１１に示す第８の実施の形態の別の具体例である。100μm径のSn-3Ag-0.5Cu組成のはんだボール（Ｍ705；線膨張係数22ppm/℃）を取り付けた厚さ0.35ｍｍ、6ｍｍ角のシリコンチップをはんだボール面を上にして置き、このシリコンチップの周囲に、外側寸法6.6ｍｍ内側寸法6.2ｍｍ高さ約0.4ｍｍの正方形アルミニウム枠（線膨張係数23ppm/℃、ヤング率70GPa）を置く。次に、長辺6ｍｍ短辺0.4ｍｍ厚さ10μmのアルミニウム箔をシリコンチップ側面と正方形アルミニウム枠の隙間に差し込めるだけ差し込み、アンダーフィル樹脂Ｂを正方形アルミニウム枠とシリコンチップ側面の隙間に充填した。そして、全体を150℃に加熱して室温に冷却し、アンダーフィル樹脂Bを硬化させた。
このあと、正方形アルミニウム枠が取り付けられたシリコンチップを厚さ1.5ｍｍのビルドアップ基板にフリップチップ接続すると同時に、正方形アルミニウム枠をアンダーフィル樹脂Bでビルドアップ基板に接着した。このとき、正方形アルミニウム枠とビルドアップ基板の間隔が50μｍ以下になるように、正方形アルミニウム枠の基板上での高さが0.45ｍｍ以下となるように調節した。
アンダーフィル樹脂Ｂを硬化させた後、SEMで観察したところ、正方形アルミニウム枠とビルドアップ基板の間隔は40μｍであった。
このときのバンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値は0.167MJ/m３であり、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たした。
【実施例７】
【００３４】
実施例７は、図１２、図１３に示す第９の実施の形態を具体化したものである。100μm径のSn-3Ag-0.5Cu組成のはんだボール（Ｍ705；線膨張係数22ppm/℃）を取り付けた厚さ0.35ｍｍ、6ｍｍ角のシリコンチップをはんだボール面を上にして置き、このシリコンチップの周囲に、外側寸法6.6ｍｍ内側寸法6.2ｍｍ高さ0.4ｍｍの正方形アルミニウム枠（線膨張係数23ppm/℃、ヤング率70GPa）を置く。
次に、直径10μmのシリカ粒子（線膨張係数1ppm/℃、ヤング率70GPa）をシリコンチップ側面と正方形アルミニウム枠の隙間に充填し、アンダーフィル樹脂Bを正方形アルミニウム枠とシリコンチップ側面の隙間に充填した。そして、全体を150℃に加熱して室温に冷却し、アンダーフィル樹脂Bを硬化させた。
【００３５】
このあと、正方形アルミニウム枠が取り付けられたシリコンチップを厚さ1.5ｍｍのビルドアップ基板にフリップチップ接続すると同時に、正方形アルミニウム枠をアンダーフィル樹脂Bでビルドアップ基板に接着した。このとき、正方形アルミニウム枠とビルドアップ基板の間隔が50μｍ以下になるように、正方形アルミニウム枠の基板上での高さが0.45ｍｍ以下となるように調節した。
アンダーフィル樹脂Ｂを硬化させた後、SEMで観察したところ、正方形アルミニウム枠とビルドアップ基板の間隔は40μｍであった。
このときのバンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値は0.160MJ/m３であり、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たした。
【実施例８】
【００３６】
実施例８は、図１６、図１７に示す第1１の実施の形態を具体化したものである。厚さ0.35ｍｍ、6ｍｍ角のシリコンチップを厚さ1.5ｍｍのビルドアップ基板に100μm径のSn-3Ag-0.5Cu組成のはんだボール（Ｍ705；線膨張係数22ppm/℃）でフリップチップ接続した後、ビルドアップ基板に形成した直径500μmのスルーホールに、長さ1.9ｍｍ直径480μmのアルミニウム円柱棒（線膨張係数23ppm/℃、ヤング率70GP）をチップの1辺あたり6本差込み、アンダーフィル樹脂Ｂをアルミニウム円柱棒とスルーホールの隙間に充填した。
次に、長辺6ｍｍ短辺0.4ｍｍ厚さ10μmのアルミニウム箔をシリコンチップ側面とアルミニウム円柱棒の隙間に差し込めるだけ差し込んだ。この状態で、シリコンチップ、アルミニウム箔およびアルミニウム円柱棒全体にアンダーフィル樹脂Bを塗布し、全体を150℃に加熱して室温に冷却し、アンダーフィル樹脂Bを硬化させた。
このときのバンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値は0.175MJ/m３であり、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たした。
【実施例９】
【００３７】
実施例９は、図１８に示す第1２の実施の形態を具体化したものである。厚さ0.35ｍｍ、6ｍｍ角のシリコンチップを厚さ1.5ｍｍのビルドアップ基板に100μm径のSn-3Ag-0.5Cu組成のはんだボール（Ｍ705；線膨張係数22ppm/℃）でフリップチップ接続した後、ビルドアップ基板に形成した直径500μmのスルーホールに、長さ1.9ｍｍ直径480μmのアルミニウム円柱棒（線膨張係数23ppm/℃、ヤング率70GP）をチップの1辺あたり6本差込み、アンダーフィル樹脂Ｂをアルミニウム円柱棒とスルーホールの隙間に充填した。
次に、長辺6ｍｍ短辺0.4ｍｍ厚さ10μmのアルミニウム箔を長辺中央で90°に折り曲げてＬ字状にし、このアルミニウム箔をチップコーナ部のシリコンチップ側面とアルミニウム円柱棒の隙間に差し込めるだけ差し込んだ。この状態で、シリコンチップ、アルミニウム箔およびアルミニウム円柱棒全体にアンダーフィル樹脂Bを塗布し、全体を150℃に加熱して室温に冷却し、アンダーフィル樹脂Bを硬化させた。
このときのバンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値は0.170MJ/m３であり、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たした。
【００３８】
以上の実施例では、樹脂接着剤にアンダーフィル樹脂Bを用いているため、シリコンチップをビルドアップ基板から取り外すことが容易である（リペアラブル性が高い）。
以上の実施例では、補強材にアルミニウムを用いていたが、銅（線膨張係数16.7ppm/℃、ヤング率130GPa）、黄銅（線膨張係数17.5ppm/℃、ヤング率101GPa）、青銅（線膨張係数17ppm/℃、ヤング率81GPa）など、本発明における補強材の物性値条件を満たす他の材料を使うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施の形態の実装構造を示す縦断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図３】本発明の第２の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図４】本発明の第３の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図５】本発明の第４の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図６】本発明の第５の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図７】本発明の第６の実施の形態の実装構造を示す縦断面図。
【図８】本発明の第６の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図９】本発明の第７の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図１０】本発明の第８の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図１１】本発明の第８の実施の形態の実装構造を示す縦断面図。
【図１２】本発明の第９の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図１３】本発明の第９の実施の形態の実装構造を示す縦断面図。
【図１４】本発明の第１０の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図１５】本発明の第１０の実施の形態の実装構造を示す縦断面図。
【図１６】本発明の第１１の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図１７】本発明の第１１の実施の形態の実装構造を示す縦断面図。
【図１８】本発明の第１２の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図１９】本発明の第１３の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図２０】半導体チップを回路基板に接続バンプでフリップチップ接続する場合の従来の実装構造を示す縦断面図。
【図２１】温度サイクル試験によって、接続バンプに接続不良が発生するメカニズムを説明する図（その１）。
【図２２】温度サイクル試験によって、接続バンプに接続不良が発生するメカニズムを説明する図（その２）。
【符号の説明】
【００４０】
12 回路基板
14 接続バンプ
16 半導体チップ
18 補強材
18１ 第一の補強材
18２ 第二の補強材
20 樹脂接着剤
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップの実装構造に関し、特に半導体チップを回路基板にはんだバンプを用いてフリップチップ接続する場合の実装構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩなどの半導体デバイスにおいては高集積化・高機能化が求められており、これに伴って半導体デバイスの接続パッド数が増加してしている。すなわち、半導体デバイスの多ピン化が進行している。また、携帯電話機に代表されるように電子機器の小型化・薄型化が進められている。このような時代趨勢に伴って、半導体チップの実装形態として、半導体チップの配線面にエリア状に接続パッドを設けることができ、小型化・薄型化実装に有利なフリップチップ接続が多用されるようになってきている。図２０は、フリップチップ接続された半導体チップの従来の実装構造を示す断面図である。半導体チップ16は、回路基板12の接続パッド（図示なし）上にはんだボールなどの接続バンプ14を用いてフリップチップ接続されている。この実装構造に、低温度（例えば-20℃）状態と高温度（例えば125℃）状態の温度サイクル（temperature cycle）を負荷すると、ある温度サイクルで半導体チップ16と回路基板12を接続するバンプ14が破壊されて、電気的な接続不良が発生する。この温度サイクルのサイクル数は耐TC寿命と呼ばれる。
【０００３】
この接続不良の発生を抑制するために、半導体チップと回路基板の間に、アンダーフィル樹脂と呼ばれる熱硬化性樹脂材料を充填する方法が広く用いられている（第1従来技術；例えば、特許文献１参照）。
また、半導体チップの側面と回路基板の実装面とで構成される角部のみに接着剤を充填して補強部を形成する方法が提案されている（第2従来技術；例えば、特許文献２参照）。
さらに、半導体チップと回路基板との間にアンダーフィル樹脂を充填すると共に、半導体チップを囲む枠状の補強材を回路基板に接着し、半導体チップと補強材上に蓋体を接着し、半導体チップと補強材と蓋体との隙間に樹脂接着剤を充填する方法も提案されている（第３従来技術；例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特公平6-71030号公報
【特許文献２】特開2000-286303号公報
【特許文献３】特開2004-260138号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
温度サイクル試験によって、フリップチップ接続バンプ14に接続不良が発生するメカニズムを図２０、図２１を参照しながら説明する。
一般に、半導体チップ16と回路基板12の間には線膨張係数差が存在する。例えば、半導体チップ16がシリコン製の場合、線膨張係数は3ppm/℃であり、回路基板12がエポキシ樹脂などの有機材料を絶縁層とするビルドアップ基板の場合、線膨張係数は10〜30ppm/℃程度である。接続バンプ14が鉛錫共晶はんだや、鉛フリーはんだの場合、線膨張係数は、20〜30ppm/℃である。
これらのはんだバンプを使って、フリップチップ接続を行なう場合、はんだボールのついた半導体チップ16と回路基板12を接触させた状態で、はんだの融点（180℃〜300℃）まで全体を加熱し、半導体チップ16と回路基板12の接合を完了させた後冷却する。
このとき、半導体チップ16と回路基板12の線膨張係数差によって、冷却時の収縮率が異なるために、接続バンプ14が図２１のように水平方向に変形する。温度サイクル試験によって、この水平方向の変形が繰り返し生じるために、バンプの接続不良が発生する。
【０００５】
第1従来技術（アンダーフィル樹脂充填法）では、バンプの水平方向の変形を抑制できるが、アンダーフィル樹脂封止後、半導体チップ16を回路基板12から取り外すことが困難となる。この困難を取り除くため、近年、採用が増加しているリペアラブルアンダーフィル樹脂材料は、高温（100℃以上）でヤング率が急激に低下する。従って、リペアラブルアンダーフィル材で樹脂封止した場合は、バンプの水平方向の変形を抑制する効果が十分に得られない。すなわち、耐TC寿命の向上とリペアラブル性を両立させることは困難である。
また、第1従来技術（アンダーフィル樹脂充填法）では、バンプ間に隙間なくアンダーフィル樹脂が流れ込むことや、アンダーフィル樹脂内に気泡を生じないことが要求されるが、実装配線密度の増加によってフリップチップ接続バンプの狭ピッチ化が進むと、これらの要求を満たすことが困難になるという問題がある。
さらに、第1従来技術では、半導体チップが高周波デバイスの場合、デバイスの電気特性がアンダーフィル樹脂材によって大幅に変化してしまうという問題がある。
【０００６】
第2従来技術では、補強部にエポキシ系樹脂接着剤を使うことを想定しており、補強材の硬さの重要性が考慮されていない。現在のところ、樹脂接着剤のヤング率が最大でも10GPa程度であるため、角部のみに樹脂接着剤を充填する方法では、バンプの水平方向の変形を抑える効果が十分に得られないという問題がある。
第3従来技術では、アンダーフィル樹脂で充填すると共に、回路基板の外周に補強材を設置し、半導体チップ及び補強材上に蓋体を接着し、それらによる隙間に樹脂接着剤を充填しているので、単にアンダーフィル樹脂のみによる対策の場合よりも接続不良を低減させることはできるが、上述したアンダーフィル樹脂を用いたことによる不都合は解消されておらず、加えてリペアラブル性は一層悪化している。
本発明は、このような問題点を解決するべくなされたものであって、その目的は、半導体チップを回路基板にはんだバンプを用いてフリップチップ接続する実装構造において、リペアラブル性を低下させることなく接続バンプの耐TC寿命を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明によれば、半導体チップを回路基板に接続バンプでフリップチップ接続した半導体チップの実装構造において、補強材を前記半導体チップ周辺において回路基板に固着し、前記補強材と前記半導体チップ側面を固着したことを特徴とする半導体チップの実装構造、が提供される。
このとき、半導体チップと補強材の間隔を50μm以下とし、半導体チップと補強材の隙間を埋める樹脂接着剤のヤング率を室温で5GPa以上とするとともに、補強材のヤング率を室温で50GPa以上とし、補強材の線膨張係数を接続バンプと同等か、もしくは、それより小さくする。
【０００８】
[作用]
回路基板に固着された補強材は、回路基板が熱収縮するのに伴って半導体チップ側に移動するが、回路基板より熱収縮量の小さい半導体チップ側面が補強材の移動を妨害する。それによって、回路基板の収縮量が低減し、接続バンプの水平方向の変形が抑制されて、バンプ耐TC寿命が向上する。
[最適条件]
この作用を最大限に得るためには、補強材と半導体チップの間隔や、補強材と樹脂接着剤の物性値を最適化する必要があり、具体的には、以下の５つの条件が必要である。
第1の条件は、半導体チップ側面と補強材の間隔が出来るだけ0に近いことである。半導体チップと補強材の寸法精度や配置精度の問題で、半導体チップと補強材を完全に接触させることは困難である。樹脂接着剤は、補強材と半導体チップ側面の間の隙間を埋める役割を持つが、樹脂接着剤のヤング率が最大でも10GPa程度であるため、半導体チップ側面が補強材の移動を妨害する効果を十分もつためには、補強材と半導体チップ側面の間隔は最大でも50μm程度にすることが必要である。
第2の条件は、補強材が十分硬いことである。半導体チップがシリコンチップの場合、シリコンのヤング率が100GPa以上あるため、補強材のヤング率が1桁小さい10GPa程度だと、補強材がシリコンチップに接触するとき、補強材が潰れてしまって、接続バンプの水平方向の変形を抑制する効果が現われなくなってしまう。シリコンチップは、半導体チップの中でも最大のヤング率をもつ材料なので、補強材の室温でのヤング率が50GPa以上あれば、接続バンプの水平方向の変形を抑制する効果をもつ。
第3の条件は、補強材の線膨張係数が接続バンプと同等か、もしくは、それより小さいことである。図２２に示すように、補強材の線膨張係数が接続バンプの線膨張係数より大きいと、接続バンプの垂直方向の変形が促進されて、バンプ耐TC寿命が低下してしまう。従って、補強材の線膨張係数が接続バンプのそれと同等か、もしくは、それより小さければ、接続バンプの垂直方向の変形が促進されるのを防止する効果をもつ。
【０００９】
第4の条件は、半導体チップ側面と補強材の間の樹脂接着剤が十分硬いことである。半導体チップと補強材の凹凸によって、補強材と半導体チップ側面の間に隙間が生じるのは避けがたい。半導体チップと補強材が一部だけで接触することによって、半導体チップと補強材の一部に応力が集中するのを防ぐため、樹脂接着剤は、補強材と半導体チップの間の緩衝材の役割を持つ。しかしながら、半導体チップ側面が補強材の移動を妨害する効果を十分もつために、樹脂接着剤のヤング率は、室温で5GPa以上あることが必要である。
第５の条件は、補強材が回路基板に強固に固着されていることである。換言すれば、補強材の回路基板からの移動量が少ないことである。補強材が回路基板に植設される場合には、両者は一体化されるので第５の条件は満たされる。補強材を回路基板に樹脂接着剤を用いて固着する場合には、両者間の距離は50μｍ以下と狭くする必要があり、また、樹脂接着剤のヤング率は、室温で5GPa以上あることが必要である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は以上のように構成されているので、以下に掲げる効果を発揮する。
第1の効果は、半導体チップを回路基板に接続バンプでフリップチップ接続した実装構造において、補強材を半導体チップ側面と回路基板に固着することにより、接続バンプの水平方向の変形を抑制し、バンプ耐TC寿命を向上させることができる。
第2の効果は、本発明の実装構造ではアンダーフィル樹脂封止を行なう必要がないため、リペアラブル性を向上させることができると共に、バンプの狭ピッチ化に有利であり、さらに封止樹脂による半導体チップの電気特性劣化の抑制が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図1、図２は、本発明の第1の実施の形態の実装構造を示す縦断面図と上面図である。図１に示すように、半導体チップ16を回路基板12に接続バンプ14でフリップチップ接続した実装構造において、補強材18を半導体チップ16の周りの回路基板12に固着し、補強材18と半導体チップ16の側面を樹脂接着剤20で接着する。補強材18は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。樹脂接着剤20は、室温で5GPa以上のヤング率をもつ。さらに、樹脂接着剤20で接合された補強材18と半導体チップ16の側面の間隔は、50μm以下とする。補強材18の固着手段としては、溶接、ろう付け、はんだ付けなどが可能であるが、最も現実的な手法は樹脂接着剤による接着である。補強材18を回路基板12に樹脂接着剤を用いて接着するとき、補強材18−回路基板12の間隔は50μm以下とし、樹脂接着剤には、室温で5GPa以上のヤング率を持つものを用いる。
図２に示すように、本実施の形態においては、4枚の板状の補強材18が用いられており、それぞれ半導体チップ16の側面の各辺中央領域で回路基板12に固着されている。そして、補強材18は半導体チップ16の側面と樹脂接着剤20により接着されている。
【００１２】
［第２の実施の形態］
図3は、本発明の第2の実施の形態の実装構造を示す上面図である。同図に示すように、補強材18は板状でかつＬ字状であり、４個の補強材18が半導体チップ16の各コーナ付近で回路基板12に固着されている。そして、各補強材18と半導体チップ16の側面が樹脂接着剤20で接着されている。補強材18は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。樹脂接着剤20は、室温で5GPa以上のヤング率をもつ。さらに、樹脂接着剤20で接合された補強材18と半導体チップ16の側面の間隔は、50μm以下とする。補強材18が樹脂接着剤で回路基板に固着されるとき、両者の距離は50μm以下とし、室温で5GPa以上のヤング率をもつ樹脂接着剤を用いる。
【００１３】
［第３の実施の形態］
図4は、本発明の第3の実施の形態の実装構造を示す上面図である。同図に示すように、補強材18は板状でかつ枠状であり、半導体チップ16を囲んで回路基板12に固着されている。そして、補強材18と半導体チップ16の側面と樹脂接着剤20で接着されている。補強材18は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。樹脂接着剤20は、室温で5GPa以上のヤング率をもつ。さらに、樹脂接着剤20で接合された補強材18と半導体チップ16の側面の間隔は、50μm以下とする。
【００１４】
［第４の実施の形態］
図５は、本発明の第４の実施の形態の実装構造を示す上面図である。同図に示すように、補強材18は板状でかつコ字状であり、２つの補強材18が半導体チップ16を囲むようにして回路基板12に固着されている。そして、補強材18と半導体チップ16の側面と樹脂接着剤20で接着されている。補強材18は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。樹脂接着剤20は、室温で5GPa以上のヤング率をもつ。さらに、樹脂接着剤20で接合された補強材18と半導体チップ16の側面の間隔は、50μm以下とする。
【００１５】
［第５の実施の形態］
図６は、本発明の第５の実施の形態の実装構造を示す上面図である。同図に示すように、補強材18は板状でかつＬ字状であり、２個の補強材18が半導体チップ16の対角に位置する二つのコーナ付近で回路基板12に固着されている。そして、各補強材18と半導体チップ16の側面が樹脂接着剤20で接着されている。補強材18は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。樹脂接着剤20は、室温で5GPa以上のヤング率をもつ。さらに、樹脂接着剤20で接合された補強材18と半導体チップ16の側面の間隔は、50μm以下とする。
【００１６】
［第６の実施の形態］
図７、図８は、本発明の第６の実施の形態の実装構造を示す縦断面図と上面図である。図７、図８に示すように、半導体チップ16を回路基板12に接続バンプ14でフリップチップ接続した実装構造において、補強材18は横断面形状が円形の棒状であり、回路基板12の半導体チップ16の周辺に形成したスルーホールに差し込まれて回路基板12に固着されている。そして、棒状の補強材18と半導体チップ16の側面とは樹脂接着剤20で接着されている。補強材18は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。樹脂接着剤20は、室温で5GPa以上のヤング率をもつ。さらに、樹脂接着剤20で接合された補強材18と半導体チップ16の側面の間隔は、50μm以下とする。
図８に示す本実施の形態では、補強材18の数はチップの1辺あたり2本だが、チップの1辺あたりの補強材18の数をより多くすれば、接続バンプの水平方向の変形を抑制する効果が増大する。
【００１７】
［第７の実施の形態］
図９は、本発明の第７の実施の形態の実装構造を示す上面図である。本実施の形態の図７、図８に示す第６の実施の形態と相違する点は、本実施の形態においては、棒状の補強材18として横断面形状が正方形のものが用いられている点であって、それ以外は同様であるので、詳細な説明は省略する。
棒状の補強材18としては、横断面形状が円形、正方形のものに限られず、楕円形、長方形のものであってもよい。
【００１８】
［第８の実施の形態］
図１０、図１１は、本発明の第８の実施の形態の実装構造を示す上面図と縦断面図である。図１０、図１１に示すように、半導体チップ16を回路基板12に接続バンプ14でフリップチップ接続した実装構造において、板状でかつ枠状の第一の補強材18１を、半導体チップ16を囲むように回路基板12上に固着し、続いて第一の補強材18１と半導体チップ16の側面の隙間に、厚さが50μｍ以下の板状の第二の補強材18２を差し込めるだけ差し込む。そして、半導体チップ、第一の補強材および第二の補強材全体に室温で5GPa以上のヤング率をもつ樹脂接着剤20を塗布し、加熱して硬化させる。第一の補強材18１と第二の補強材18２は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。
【００１９】
本発明の第８の実施の形態は、次のような実装方法でも実現可能である。接続バンプ14を取り付けた半導体チップ16の周囲に、板状でかつ枠状の第一の補強材18１を置く。次に、第一の補強材18１と半導体チップ16の側面の隙間に、厚さが50μｍ以下の板状の第二の補強材18２を差し込めるだけ差し込む。そして、半導体チップ、第一の補強材１および第二の補強材全体に室温で5GPa以上のヤング率をもつ樹脂接着剤20を塗布し、加熱して硬化させる。この補強材が取り付けられた半導体チップ16を回路基板12に接続バンプ14でフリップチップ接続し、第一の補強材18１を回路基板12に固着する。
【００２０】
［第９の実施の形態］
図１２、図１３は、本発明の第９の実施の形態の実装構造を示す上面図と縦断面図である。本実施の形態の実装構造は次のようにして作製される。すなわち、接続バンプ14を取り付けた半導体チップ16の周囲に、板状でかつ枠状の第一の補強材18１を置く。次に、第一の補強材18１と半導体チップ16の側面の隙間に、直径が50μｍ以下の球状の第二の補強材18２を充填する。そして、半導体チップ、第一の補強材および第二の補強材全体に室温で5GPa以上のヤング率をもつ樹脂接着剤20を塗布し、加熱して硬化させる。この補強材が取り付けられた半導体チップ16を回路基板12に接続バンプ14でフリップチップ接続し、同時に第一の補強材18１を回路基板12に固着する。
上記の実装方法に代えて、半導体チップ16がフリップチップ接続された回路基板12に第一の補強材18１を固着し、その後に球状の第二の補強材18２の充填と樹脂接着剤の塗布を行うようにしてもよい。
【００２１】
［第１０の実施の形態］
図１４、図１５は、本発明の第１０の実施の形態の実装構造を示す上面図と縦断面図である。本実施の形態の実装構造は次のようにして作製される。すなわち、バンプ14を取り付けた半導体チップ16を囲むように、板状でかつ枠状の第一の補強材18１を置く。次に、第一の補強材18１と半導体チップ16の側面の隙間に、直径が50μｍ以下の棒状の第二の補強材18２を挿入・充填する。そして、半導体チップ、第一の補強材および第二の補強材全体に室温で5GPa以上のヤング率をもつ樹脂接着剤20を塗布し、加熱して硬化させる。この補強材が取り付けられた半導体チップ16を回路基板12に接続バンプ14でフリップチップ接続し、同時に第一の補強材18１を回路基板12に固着する。
上記の実装方法に代えて、半導体チップ16がフリップチップ接続された回路基板12に第一の補強材18１を固着し、その後に棒状の第二の補強材18２の充填と樹脂接着剤の塗布を行うようにしてもよい。
【００２２】
［第１１の実施の形態］
図１６、図１７は、本発明の第１１の実施の形態の実装構造を示す上面図と縦断面図である。本実施の形態の実装構造は、次のようにして作製される。半導体チップ16を回路基板12に接続バンプ14でフリップチップ接続し、回路基板12の半導体チップ16の周囲に形成したスルーホールに、丸棒状の第一の補強材18１を差し込んで固着する。次に、丸棒状の第一の補強材18１と半導体チップ16の側面の隙間に、厚さが50μｍ以下の板状の第二の補強材18２を差し込めるだけ差し込む。そして、半導体チップ、第一の補強材および第二の補強材全体に室温で5GPa以上のヤング率をもつ樹脂接着剤20を塗布し、加熱して硬化させる。第一の補強材18１と第二の補強材18２は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。
図１６に示す本実施の形態では、棒状の第一の補強材18１の数はチップの1辺あたり2本だが、チップの1辺あたりの棒状の第一の補強材18１の数をより多くすれば、接続バンプの水平方向の変形を抑制する効果が増大する。
【００２３】
［第１２の実施の形態］
図１８は、本発明の第１２の実施の形態の実装構造を示す上面図である。本実施の形態の実装構造は、次のようにして作製される。半導体チップ16を回路基板12に接続バンプ14でフリップチップ接続し、回路基板12の半導体チップ16の周囲に形成したスルーホールに、丸棒状の第一の補強材18１を差し込んで固着する。次に、棒状の第一の補強材18１と半導体チップ16の側面の隙間に、厚さが50μｍ以下で、板状かつＬ字状の第二の補強材18２を差し込めるだけ差し込む。そして、半導体チップ、第一の補強材および第二の補強材全体に室温で5GPa以上のヤング率をもつ樹脂接着剤20を塗布し、加熱して硬化させる。第一の補強材18１と第二の補強材18２は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。
【００２４】
［第１３の実施の形態］
図１９は、本発明の第１３の実施の形態の実装構造を示す上面図である。本実施の形態の実装構造は、次のようにして作製される。半導体チップ16を回路基板12に接続バンプ14でフリップチップ接続し、回路基板12の半導体チップ16の周囲に形成したスルーホールに、角棒状の第一の補強材18１を差し込んで固着する。次に、角棒状の第一の補強材18１と半導体チップ16の側面の隙間に、厚さが50μｍ以下で、板状かつＬ字状の第二の補強材18２を差し込めるだけ差し込む。そして、半導体チップ、第一の補強材および第二の補強材全体に室温で5GPa以上のヤング率をもつ樹脂接着剤20を塗布し、加熱して硬化させる。第一の補強材18１と第二の補強材18２は、室温で50GPa以上のヤング率をもち、接続バンプ14と同等か、もしくは、より小さい線膨張係数をもつ。
【００２５】
以上説明したように、本発明の第1〜第１３の実施の形態によれば、補強材と半導体チップの間隔や、補強材と樹脂接着剤の物性値を最適化することによって、フリップチップ接続のバンプの水平方向の変形を抑制することが可能となり、接続バンプの耐TC寿命を向上させることができる。
以上説明した第1〜第１３の実施の形態では、補強材18（第一の補強材18１）は、例えば図2に示されるように、同一形状のものを使用していたが、異なる形状の補強材18（第一の補強材18１）を組み合わせて使用するようにしてもよい。例えば、コ字状の補強材と直線状の補強材とを組み合わせたり、コ字状の補強材とＬ字状の補強材とを組み合わせて使用したりしてもよい。
以上説明したように、本発明においては、アンダーフィル樹脂を用いられない。樹脂接着剤20の塗布時あるいはその硬化時に樹脂が流出して半導体チップと回路基板の間に到達することも起こり得るが、その場合であっても、いずれの接続バンプにも樹脂接着剤が接触してはならない。
【００２６】
［実施例］
以下、具体的な実施例を用いて、本発明の実施の形態の実装構造を説明する。各実施例について、応力解析シミュレーションを行い、フリップチップ接続に用いられた接続バンプの耐TC寿命に対応する、バンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値を求めた。一般に、バンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値が増加すると、バンプの耐TC寿命が低下する。
比較のため、第1従来技術（アンダーフィル樹脂充填法）におけるバンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値を求めたところ、リペアラブル性のないアンダーフィル樹脂A（ガラス転移温度142℃、ガラス転移温度以下線膨張係数39ppm/℃、ガラス転移温度以上線膨張係数113ppm/℃、室温ヤング率7GPa ；組成：エポキシ樹脂50wt％、シリカフィラー50wt％）では0.149MJ/m３であり、リペアラブル性のあるアンダーフィル樹脂B（ガラス転移温度106℃、ガラス転移温度以下線膨張係数44ppm/℃、ガラス転移温度以上線膨張係数140ppm/℃、室温ヤング率9GPa ；組成：エポキシ樹脂51wt％、シリカフィラー45wt％、アクリル粒子4wt％）では0.236MJ/m３であった。
アンダーフィル樹脂Aによるアンダーフィル樹脂封止では、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たしたが、アンダーフィル樹脂Bによるアンダーフィル樹脂封止では、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たさなかった。ここで、バンプ耐TC寿命の必要基準に対応する、バンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値は、0.215MJ/m３である。
【実施例１】
【００２７】
実施例１は、図１、図２に示す第1の実施の形態を具体化したものである。厚さ0.35ｍｍ、6ｍｍ角のシリコンチップを厚さ1.5ｍｍのビルドアップ基板に100μm径のSn-3Ag-0.5Cu組成のはんだボール（線膨張係数22ppm/℃；千住金属工業社製M705）でフリップチップ接続した後、長辺5.8ｍｍ短辺0.4ｍｍ厚さ200μmのアルミニウム板（線膨張係数23ppm/℃、ヤング率70GPa ）の隣り合う2つの面（長辺5.8ｍｍ短辺0.4ｍｍの面と長辺5.8ｍｍ短辺200μmの面）に、アンダーフィル樹脂Bを塗布し、シリコンチップ側面とビルドアップ基板に接着した。
【００２８】
このとき、アルミニウム板とシリコンチップ側面の間隔やアルミニウム板とビルドアップ基板の間隔が出来るだけ狭くなるように、かつ、フリップ接続バンプを損傷しないように、アルミニウム板をシリコンチップ側面とビルドアップ基板に押し付けた。そして、全体を150℃に加熱して室温に冷却し、アンダーフィル樹脂Bを硬化させた。
アンダーフィル樹脂Bを硬化させた後、SEM(scanning electron microscope；走査型電子顕微鏡)で観察したところ、アルミニウム板とシリコンチップ側面の間隔は10μｍ、アルミニウム板とビルドアップ基板の間隔は20μｍであった。
このときのバンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値は0.210MJ/m３であり、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たした。
【実施例２】
【００２９】
実施例２は、図３に示す第２の実施の形態を具体化したものである。厚さ0.35ｍｍ、6ｍｍ角のシリコンチップを厚さ1.5ｍｍのビルドアップ基板に100μm径のSn-3Ag-0.5Cu組成のはんだボール（M705；線膨張係数22ppm/℃）でフリップチップ接続した後、長辺5.8ｍｍ短辺0.4ｍｍ厚さ200μmのアルミニウム板（線膨張係数23ppm/℃、ヤング率70GPa）を長辺中央で90°に折り曲げてL字状にし、実施例1と同様に、アンダーフィル樹脂Bを塗布し、シリコンチップ側面とビルドアップ基板に接着した。
このとき、アルミニウム板とシリコンチップ側面の間隔やアルミニウム板とビルドアップ基板の間隔が出来るだけ狭くなるように、かつ、フリップ接続バンプを損傷しないように、アルミニウム板をシリコンチップ側面とビルドアップ基板に押し付けた。そして、全体を150℃に加熱して室温に冷却し、アンダーフィル樹脂Bを硬化させた。
アンダーフィル樹脂Bを硬化させた後、SEMで観察したところ、アルミニウム板とシリコンチップ側面の間隔は10μｍ、アルミニウム板とビルドアップ基板の間隔は20μｍであった。
このときのバンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値は0.176MJ/m３であり、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たした。
【実施例３】
【００３０】
実施例３は、図４に示す第３の実施の形態を具体化したものである。厚さ0.35ｍｍ、6ｍｍ角のシリコンチップを厚さ1.5ｍｍのビルドアップ基板に100μm径のSn-3Ag-0.5Cu組成のはんだボール（Ｍ705；線膨張係数22ppm/℃）でフリップチップ接続した後、外側寸法6.4ｍｍ内側寸法6.0ｍｍ高さ0.4ｍｍの正方形アルミニウム枠（線膨張係数23ppm/℃、ヤング率70GPa）の内面と底面にアンダーフィル樹脂Bを塗布し、シリコンチップ側面とビルドアップ基板に接着した。
このとき、正方形アルミニウム枠とビルドアップ基板の間隔が出来るだけ狭くなるように、正方形アルミニウム枠をビルドアップ基板に押し付けた。そして、全体を150℃に加熱して室温に冷却し、アンダーフィル樹脂Bを硬化させた。
アンダーフィル樹脂Bを硬化させた後、SEMで観察したところ、正方形アルミニウム枠とシリコンチップ側面の間隔は10μｍ、正方形アルミニウム枠とビルドアップ基板の間隔は30μｍであった。
このときのバンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値は0.146MJ/m３であり、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たした。
【実施例４】
【００３１】
実施例４は、図７、図８に示す第６の実施の形態を具体化したものである。厚さ0.35ｍｍ、6ｍｍ角のシリコンチップを厚さ1.5ｍｍのビルドアップ基板に100μm径のSn-3Ag-0.5Cu組成のはんだボール（Ｍ705；線膨張係数22ppm/℃）でフリップチップ接続した後、ビルドアップ基板に形成した直径500μmのスルーホールに、長さ1.9ｍｍ直径480μmのアルミニウム円柱棒（線膨張係数23ppm/℃、ヤング率70GP）を、チップの1辺あたり6本差込み、アンダーフィル樹脂Bをアルミニウム円柱棒とスルーホールの隙間に充填した。また、アンダーフィル樹脂Bをアルミニウム円柱棒とシリコンチップ側面の隙間に充填した。そして、全体を150℃に加熱して室温に冷却し、アンダーフィル樹脂Bを硬化させた。
アンダーフィル樹脂Bを硬化させた後、SEMで観察したところ、アルミニウム円柱棒とシリコンチップ側面の間隔は10μｍであった。
このときのバンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値は0.214MJ/m３であり、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たした。
【実施例５】
【００３２】
実施例５は、図１０、図１１に示す第８の実施の形態を具体化したものである。厚さ0.35ｍｍ、6ｍｍ角のシリコンチップを厚さ1.5ｍｍのビルドアップ基板に100μm径のSn-3Ag-0.5Cu組成のはんだボール（Ｍ705；線膨張係数22ppm/℃）でフリップチップ接続した後、外側寸法6.6ｍｍ内側寸法6.2ｍｍ高さ0.4ｍｍの正方形アルミニウム枠（線膨張係数23ppm/℃、ヤング率70GPa）の底面にアンダーフィル樹脂Bを塗布し、シリコンチップ周りのビルドアップ基板に接着した。
このとき、正方形アルミニウム枠とビルドアップ基板の間隔が出来るだけ狭くなるように、正方形アルミニウム枠をビルドアップ基板に押し付けた。
次に、長辺6ｍｍ短辺0.4ｍｍ厚さ10μmのアルミニウム箔をシリコンチップ側面と正方形アルミニウム枠の隙間に差し込めるだけ差し込んだ。この状態で、アンダーフィル樹脂Ｂを正方形アルミニウム枠とシリコンチップ側面の隙間に充填した。そして、全体を150℃に加熱して室温に冷却し、アンダーフィル樹脂Bを硬化させた。
アンダーフィル樹脂Ｂを硬化させた後、SEMで観察したところ、正方形アルミニウム枠とビルドアップ基板の間隔は30μｍであった。
このときのバンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値は0.150MJ/m３であり、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たした。
【実施例６】
【００３３】
実施例６は、図１０、図１１に示す第８の実施の形態の別の具体例である。100μm径のSn-3Ag-0.5Cu組成のはんだボール（Ｍ705；線膨張係数22ppm/℃）を取り付けた厚さ0.35ｍｍ、6ｍｍ角のシリコンチップをはんだボール面を上にして置き、このシリコンチップの周囲に、外側寸法6.6ｍｍ内側寸法6.2ｍｍ高さ約0.4ｍｍの正方形アルミニウム枠（線膨張係数23ppm/℃、ヤング率70GPa）を置く。次に、長辺6ｍｍ短辺0.4ｍｍ厚さ10μmのアルミニウム箔をシリコンチップ側面と正方形アルミニウム枠の隙間に差し込めるだけ差し込み、アンダーフィル樹脂Ｂを正方形アルミニウム枠とシリコンチップ側面の隙間に充填した。そして、全体を150℃に加熱して室温に冷却し、アンダーフィル樹脂Bを硬化させた。
このあと、正方形アルミニウム枠が取り付けられたシリコンチップを厚さ1.5ｍｍのビルドアップ基板にフリップチップ接続すると同時に、正方形アルミニウム枠をアンダーフィル樹脂Bでビルドアップ基板に接着した。このとき、正方形アルミニウム枠とビルドアップ基板の間隔が50μｍ以下になるように、正方形アルミニウム枠の基板上での高さが0.45ｍｍ以下となるように調節した。
アンダーフィル樹脂Ｂを硬化させた後、SEMで観察したところ、正方形アルミニウム枠とビルドアップ基板の間隔は40μｍであった。
このときのバンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値は0.167MJ/m３であり、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たした。
【実施例７】
【００３４】
実施例７は、図１２、図１３に示す第９の実施の形態を具体化したものである。100μm径のSn-3Ag-0.5Cu組成のはんだボール（Ｍ705；線膨張係数22ppm/℃）を取り付けた厚さ0.35ｍｍ、6ｍｍ角のシリコンチップをはんだボール面を上にして置き、このシリコンチップの周囲に、外側寸法6.6ｍｍ内側寸法6.2ｍｍ高さ0.4ｍｍの正方形アルミニウム枠（線膨張係数23ppm/℃、ヤング率70GPa）を置く。
次に、直径10μmのシリカ粒子（線膨張係数1ppm/℃、ヤング率70GPa）をシリコンチップ側面と正方形アルミニウム枠の隙間に充填し、アンダーフィル樹脂Bを正方形アルミニウム枠とシリコンチップ側面の隙間に充填した。そして、全体を150℃に加熱して室温に冷却し、アンダーフィル樹脂Bを硬化させた。
【００３５】
このあと、正方形アルミニウム枠が取り付けられたシリコンチップを厚さ1.5ｍｍのビルドアップ基板にフリップチップ接続すると同時に、正方形アルミニウム枠をアンダーフィル樹脂Bでビルドアップ基板に接着した。このとき、正方形アルミニウム枠とビルドアップ基板の間隔が50μｍ以下になるように、正方形アルミニウム枠の基板上での高さが0.45ｍｍ以下となるように調節した。
アンダーフィル樹脂Ｂを硬化させた後、SEMで観察したところ、正方形アルミニウム枠とビルドアップ基板の間隔は40μｍであった。
このときのバンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値は0.160MJ/m３であり、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たした。
【実施例８】
【００３６】
実施例８は、図１６、図１７に示す第1１の実施の形態を具体化したものである。厚さ0.35ｍｍ、6ｍｍ角のシリコンチップを厚さ1.5ｍｍのビルドアップ基板に100μm径のSn-3Ag-0.5Cu組成のはんだボール（Ｍ705；線膨張係数22ppm/℃）でフリップチップ接続した後、ビルドアップ基板に形成した直径500μmのスルーホールに、長さ1.9ｍｍ直径480μmのアルミニウム円柱棒（線膨張係数23ppm/℃、ヤング率70GP）をチップの1辺あたり6本差込み、アンダーフィル樹脂Ｂをアルミニウム円柱棒とスルーホールの隙間に充填した。
次に、長辺6ｍｍ短辺0.4ｍｍ厚さ10μmのアルミニウム箔をシリコンチップ側面とアルミニウム円柱棒の隙間に差し込めるだけ差し込んだ。この状態で、シリコンチップ、アルミニウム箔およびアルミニウム円柱棒全体にアンダーフィル樹脂Bを塗布し、全体を150℃に加熱して室温に冷却し、アンダーフィル樹脂Bを硬化させた。
このときのバンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値は0.175MJ/m３であり、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たした。
【実施例９】
【００３７】
実施例９は、図１８に示す第1２の実施の形態を具体化したものである。厚さ0.35ｍｍ、6ｍｍ角のシリコンチップを厚さ1.5ｍｍのビルドアップ基板に100μm径のSn-3Ag-0.5Cu組成のはんだボール（Ｍ705；線膨張係数22ppm/℃）でフリップチップ接続した後、ビルドアップ基板に形成した直径500μmのスルーホールに、長さ1.9ｍｍ直径480μmのアルミニウム円柱棒（線膨張係数23ppm/℃、ヤング率70GP）をチップの1辺あたり6本差込み、アンダーフィル樹脂Ｂをアルミニウム円柱棒とスルーホールの隙間に充填した。
次に、長辺6ｍｍ短辺0.4ｍｍ厚さ10μmのアルミニウム箔を長辺中央で90°に折り曲げてＬ字状にし、このアルミニウム箔をチップコーナ部のシリコンチップ側面とアルミニウム円柱棒の隙間に差し込めるだけ差し込んだ。この状態で、シリコンチップ、アルミニウム箔およびアルミニウム円柱棒全体にアンダーフィル樹脂Bを塗布し、全体を150℃に加熱して室温に冷却し、アンダーフィル樹脂Bを硬化させた。
このときのバンプの温度サイクル1サイクルあたりの非弾性ひずみエネルギー密度の増加量の最大値は0.170MJ/m３であり、バンプの耐TC寿命は必要基準を満たした。
【００３８】
以上の実施例では、樹脂接着剤にアンダーフィル樹脂Bを用いているため、シリコンチップをビルドアップ基板から取り外すことが容易である（リペアラブル性が高い）。
以上の実施例では、補強材にアルミニウムを用いていたが、銅（線膨張係数16.7ppm/℃、ヤング率130GPa）、黄銅（線膨張係数17.5ppm/℃、ヤング率101GPa）、青銅（線膨張係数17ppm/℃、ヤング率81GPa）など、本発明における補強材の物性値条件を満たす他の材料を使うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施の形態の実装構造を示す縦断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図３】本発明の第２の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図４】本発明の第３の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図５】本発明の第４の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図６】本発明の第５の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図７】本発明の第６の実施の形態の実装構造を示す縦断面図。
【図８】本発明の第６の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図９】本発明の第７の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図１０】本発明の第８の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図１１】本発明の第８の実施の形態の実装構造を示す縦断面図。
【図１２】本発明の第９の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図１３】本発明の第９の実施の形態の実装構造を示す縦断面図。
【図１４】本発明の第１０の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図１５】本発明の第１０の実施の形態の実装構造を示す縦断面図。
【図１６】本発明の第１１の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図１７】本発明の第１１の実施の形態の実装構造を示す縦断面図。
【図１８】本発明の第１２の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図１９】本発明の第１３の実施の形態の実装構造を示す上面図。
【図２０】半導体チップを回路基板に接続バンプでフリップチップ接続する場合の従来の実装構造を示す縦断面図。
【図２１】温度サイクル試験によって、接続バンプに接続不良が発生するメカニズムを説明する図（その１）。
【図２２】温度サイクル試験によって、接続バンプに接続不良が発生するメカニズムを説明する図（その２）。
【符号の説明】
【００４０】
12 回路基板
14 接続バンプ
16 半導体チップ
18 補強材
18１ 第一の補強材
18２ 第二の補強材
20 樹脂接着剤
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップを回路基板に接続バンプでフリップチップ接続した半導体チップの実装構造において、補強材を前記半導体チップ周辺において回路基板に固着し、前記補強材と前記半導体チップ側面を固着したことを特徴とする半導体チップの実装構造。
【請求項２】
前記半導体チップは前記補強材に樹脂接着剤を用いて固着されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体チップの実装構造。
【請求項３】
前記補強材と前記半導体チップの側面との間隔が50μm以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体チップの実装構造。
【請求項４】
半導体チップを回路基板に接続バンプでフリップチップ接続した半導体チップの実装構造において、補強材を半導体チップ周辺において回路基板に固着し、補強材と半導体チップとの隙間に補助補強材が充填されていることを特徴とする半導体チップの実装構造。
【請求項５】
前記半導体チップおよび前記補助補強材が樹脂接着剤により前記補強材に固着されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体チップの実装構造。
【請求項６】
前記補助補強材は、室温で50GPa以上のヤング率をもつことを特徴とする請求項４または５に記載の半導体チップの実装構造。
【請求項７】
前記補助補強材は、接続バンプと同等か、もしくは、それより小さい線膨張係数をもつことを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の半導体チップの実装構造。
【請求項８】
前記補強材は板状体であって、その横断面形状は、線状、Ｌ字状またはコ字状のいずれかであることを特徴とする請求項1から７のいずれかに記載の半導体チップの実装構造。
【請求項９】
前記補強材は板状体からなる枠体であることを特徴とする請求項1から７のいずれかに記載の半導体チップの実装構造。
【請求項１０】
前記補強材は樹脂接着剤により前記回路基板に固着されていることを特徴とする請求項８または９に記載の半導体チップの実装構造。
【請求項１１】
前記補強材と前記回路基板との距離は50μｍ以下でることを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の半導体チップの実装構造。
【請求項１２】
前記補助補強材の形状は厚さが50μm以下の板状または直径が50μm以下の球状または直径が50μm以下の棒状であることを特徴とする請求項９または１０に記載の半導体チップの実装構造。
【請求項１３】
前記補強材の形状は棒状であって、前記補強材は前記回路基板に形成されたスルーホールに嵌着されていることを特徴とする請求項1から７のいずれかに記載の半導体チップの実装構造。
【請求項１４】
前記補助補強材の形状は厚さが50μm以下の板状であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体チップの実装構造。
【請求項１５】
前記補強材は、室温で50GPa以上のヤング率をもつことを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の半導体チップの実装構造。
【請求項１６】
前記補強材は、前記接続バンプと同等か、もしくは、それより小さい線膨張係数をもつことを特徴とする請求項1から１５のいずれかに記載の半導体チップの実装構造。
【請求項１７】
前記樹脂接着剤は、室温で5GPa以上のヤング率をもつことを特徴とする請求項２から１６のいずれかに記載の半導体チップの実装構造。
【請求項１８】
前記半導体チップと前記回路基板との間の少なくとも一部は充填物は存在せず空間のままであることを特徴とする請求項１から１７のいずれかに記載の半導体チップの実装構造。
【請求項１９】
前記樹脂接着剤は、いずれの接続バンプをも包囲していないことを特徴とする請求項２から１８のいずれかに記載の半導体チップの実装構造。
【請求項１】
半導体チップを回路基板に接続バンプでフリップチップ接続した半導体チップの実装構造において、補強材を前記半導体チップ周辺において回路基板に固着し、前記補強材と前記半導体チップ側面を固着したことを特徴とする半導体チップの実装構造。
【請求項２】
前記半導体チップは前記補強材に樹脂接着剤を用いて固着されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体チップの実装構造。
【請求項３】
前記補強材と前記半導体チップの側面との間隔が50μm以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体チップの実装構造。
【請求項４】
半導体チップを回路基板に接続バンプでフリップチップ接続した半導体チップの実装構造において、補強材を半導体チップ周辺において回路基板に固着し、補強材と半導体チップとの隙間に補助補強材が充填されていることを特徴とする半導体チップの実装構造。
【請求項５】
前記半導体チップおよび前記補助補強材が樹脂接着剤により前記補強材に固着されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体チップの実装構造。
【請求項６】
前記補助補強材は、室温で50GPa以上のヤング率をもつことを特徴とする請求項４または５に記載の半導体チップの実装構造。
【請求項７】
前記補助補強材は、接続バンプと同等か、もしくは、それより小さい線膨張係数をもつことを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の半導体チップの実装構造。
【請求項８】
前記補強材は板状体であって、その横断面形状は、線状、Ｌ字状またはコ字状のいずれかであることを特徴とする請求項1から７のいずれかに記載の半導体チップの実装構造。
【請求項９】
前記補強材は板状体からなる枠体であることを特徴とする請求項1から７のいずれかに記載の半導体チップの実装構造。
【請求項１０】
前記補強材は樹脂接着剤により前記回路基板に固着されていることを特徴とする請求項８または９に記載の半導体チップの実装構造。
【請求項１１】
前記補強材と前記回路基板との距離は50μｍ以下でることを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の半導体チップの実装構造。
【請求項１２】
前記補助補強材の形状は厚さが50μm以下の板状または直径が50μm以下の球状または直径が50μm以下の棒状であることを特徴とする請求項９または１０に記載の半導体チップの実装構造。
【請求項１３】
前記補強材の形状は棒状であって、前記補強材は前記回路基板に形成されたスルーホールに嵌着されていることを特徴とする請求項1から７のいずれかに記載の半導体チップの実装構造。
【請求項１４】
前記補助補強材の形状は厚さが50μm以下の板状であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体チップの実装構造。
【請求項１５】
前記補強材は、室温で50GPa以上のヤング率をもつことを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の半導体チップの実装構造。
【請求項１６】
前記補強材は、前記接続バンプと同等か、もしくは、それより小さい線膨張係数をもつことを特徴とする請求項1から１５のいずれかに記載の半導体チップの実装構造。
【請求項１７】
前記樹脂接着剤は、室温で5GPa以上のヤング率をもつことを特徴とする請求項２から１６のいずれかに記載の半導体チップの実装構造。
【請求項１８】
前記半導体チップと前記回路基板との間の少なくとも一部は充填物は存在せず空間のままであることを特徴とする請求項１から１７のいずれかに記載の半導体チップの実装構造。
【請求項１９】
前記樹脂接着剤は、いずれの接続バンプをも包囲していないことを特徴とする請求項２から１８のいずれかに記載の半導体チップの実装構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２００７−１０９９０４（Ｐ２００７−１０９９０４Ａ）
【公開日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２９９５１８（Ｐ２００５−２９９５１８）
【出願日】平成１７年１０月１４日（２００５．１０．１４）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月１４日（２００５．１０．１４）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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